层板包扎换热器壳体制造工艺设计.doc
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1、层板包扎换热器壳体制造工艺设计层板包扎换热器壳体制造工艺设计专 业:焊接技术与工程班 级:07焊接1姓 名:矫运赟学 号:A0752128指导教师:张文明 时 间:2010年10月29日目 录摘 要- 2 -引 言- 3 -1 层板包扎换热器壳体制作工艺设计- 5 -1.1 产品结构分析- 5 -1.2 材料焊接性分析- 6 -1.3 层板包扎换热器壳体制造工艺流程- 10 -2. 总装备焊接工艺- 18 -2.1 筒节与筒节环缝装配焊接- 18 -2.2 筒节与封头间环缝装配焊接- 19 -2.3 壳体的质量检验- 19 -参考文献- 21 -摘 要本设计编制的是层板包扎换热器壳体的制造工艺
2、,按照在承压等级的基础上,综合压力容器工作介质的危害性(易燃、致毒等程度)进行分类,此容器属于III类容器。此容器材料主要为16MnR,故在讨论16MnR焊接性的基础上对该容器进行制造工艺编制。本产品制造、试验和验收按GB1502005钢制压力容器中的多层高压容器技术条件规定。本次设计的换热器筒体由20mm厚的内筒,外层包扎七层6mm厚瓦片状层板构成,内筒材质为16MnR,层板材质为16MnRC。封头由铸造方法获得。本设计首先介绍了此层板包扎换热器的结构,并分析了制造本产品的材料如16MnR钢的化学成分、力学性能及焊接性,然后分析了该容器焊接制作工艺流程。文中详细论述了换热器加工、装配、焊接工
3、艺。同时对换热器制作中容易出现的质量问题进行了分析说明,提出了相应的解决措施。文中重点阐述了装配焊接工艺,包括筒节的纵缝装配焊接、筒节与封头的环缝装配焊接、筒节与筒节的环缝焊接等。如装配方法、焊条、焊剂与焊丝及焊接方法的选择、焊接参数的选取等。并对容器的焊后试验、气密性试验等进行了必要的说明。关键词:层板包扎换热器、装配、焊接引 言世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程自动化、数字化、智能化控制为显著特征。在国内,无论是从目前焊接设备和材料构成比的发展趋势,还是从焊接设备和材料的制造技术和发展方向上来看,我国现代化焊接技术已经有了很大的发展,部分产品技术已经达到或接近国外先进水平。随着
4、我国焊接技术的迅猛发展,压力容器的应用也日益广泛。在化工领域,盛装各种介质的压力容器成了工业生产中不可或缺的一部分。压力容器大都在一定的温度和压力下工作,且相当一部分结构的工作介质或内部充装物为易燃易爆,或具有强烈腐蚀性,或有毒的物质,一旦发生泄露或者断裂破坏,就可能产生灾难性后果,造成人们生命财产的严重损失。因此,因此必须保证该类结构在工作和运行中的安全可靠性,必须按照产品设计的技术要求中专门的技术规范来进行制造生产,严格控制产品质量,并业要由专设机构来进行监督和检查。多层厚壁高压容器壳体是由卷焊而成的圆柱形筒体和两个铸造或锻造制成的封头(也称端盖)组成的。其筒体是由内筒和包扎在其上的数层瓦
5、片状的薄层板所构成,如图0-1。内筒体直接接触工作介质,必须适应工作条件的要求,如强度高、塑性和韧性好及耐腐蚀等。但其制造中也存在工序多,生产周期长的缺点。常用的内筒材料由16MnR、15MnVR、14MnMoVR、16Mng和15MnVg等,板厚一般为12mm20mm。层板作为受力件,也要求具有良好的塑性和韧性。常用层板有16MnRC和15MnVRC等,板厚多为6mm10mm。层板可以为单一材料;也可以采用不同材料,达到沿壁厚等强度的混合包扎,以充分利用材料的承载能力。多层包扎高压容器是较早使用的组合容器之一。它是利用各层层板间的2(或3)条纵向焊缝的焊接收缩作用和包扎箍紧力作用,使筒体在投
6、入运行前就在其内侧保留着预压缩应力,而外侧保留预拉伸应力。当承受内压后,既提高了内壁的屈服安全性,又改变了应力沿壁厚的分布状况,使壁厚材料合理地得到利用。图0-1 多层包扎换热器筒体构成示意图1 层板包扎换热器壳体制作工艺设计1.1 产品结构分析1. 产品概述此层板包扎换热器壳体由筒体与两个封头组成。封头通过锻造方法制成,与筒体组焊到一起,材料为20MnMo。筒体由两个筒节组焊获得。筒节由20mm厚的内筒,外层包扎七层6mm厚瓦片状层板构成,内筒材质为16MnR,层板材质为16MnRC。内筒直接与工作介质接触,具有较好的强度、塑性和韧性及较好的耐腐蚀等,层板作为受力件,也具有良好的塑性和韧性。
7、层板包扎换热器利用各层层板间的纵向焊缝的焊接收缩作用和包扎箍紧力作用,使筒体在投入运行前就在其内侧保留着预压缩应力,而外侧保留预拉伸应力。当承受内压后,既提高了内壁的屈服安全性,又改变了应力沿壁厚的分布状况,使壁厚材料合理地得到利用。本设计中封头材料为20MnMo钢;内筒材料为16MnR,板厚为20mm;层板材料为16MnRC,每层板厚为6mm,共计7层。此层板包扎换热器壳体主体结构见图1-1.图1-1 层板包扎换热器壳体主体结构2. 换热器技术特性此层板包扎换热器主要技术特性数据如表1-1所示。表1-1 层板包扎换热器技术特性序号名称指标1操作压力(kg/cm2)320kg/ cm22操作温
8、度()30403操作介质H2 N2 CH4 气氨 液氨1.2 材料焊接性分析1. 16MnR焊接性分析(1) 16MnR钢的化学成分和力学性能16MnR钢是我国球罐和压力容器的基础钢种,它发展最早,最成熟稳定,产量也最大,属345MPa(屈服点)级的低合金结构钢,具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。16MnR钢的化学成分见表1-2。表1-2 16MnR钢化学成分钢种C(%)Mn(%)Si(%)S(%)P(%)16MnR0.120.180.801.200.200.600.0450.05016MnR钢的力学性能见表1-3。表1-3 16MnR力学性能钢号交货状态钢板厚度/mm
9、拉伸试验冲击试验冷弯试验抗拉强度b/Mpa屈服点a/Mpa伸长率/%温度V形冲击功Akv(横向,1/4板厚)/Jb2a180不小于不小于16MnR正火1016510640345212047d2a16364906203253660470600305-2031d3a16MnR钢一般在热轧状态下使用。对于中厚板材,为了改善钢的综合力学性能,特别是冲击性能,可进行900920正火处理。正火后钢的强度略有降低,但塑性、韧性、低温冲击韧性显著提高,并降低脆性转变温度。(2) 焊接裂纹1) 焊缝中的热裂纹从热轧正火钢的成分看,一般含碳量都较低,而含量Mn都较高。因此,它们的Mn/S比都能达到要求,具有良好的
10、抗热裂性能,正常情况下不会出现热裂纹。但当材料成分不合格,或因严重偏析使局部C、S含量偏高时, Mn/S就可能低于要求而出现热裂纹。如果16MnR钢板,碳有严重偏析,钢板各部分的含碳量相差很大,从0.160.245,因此在焊角焊缝时出现在大量的热裂纹.在这种情况下,就要从工艺上设法减少熔合化,在焊接材料上采用低碳焊丝H03MnTi和含SiO2,较低的焊剂(含SiO2 30.28, MnO33.43),以此降低焊缝中的含碳量提高焊缝中的含锰量,解决了热裂纹的问题。2) 冷裂纹 16MnR钢的含碳量虽然并不高,但含有少量的合金元素,因此,16MnR钢的淬硬倾向必然比低碳钢的大一些。16MnR钢在连
11、续冷却时,珠光体转变区间变窄,使快冷过程中铁素体析出后剩下富碳奥氏体来不及转变为珠光体,最后转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体,并且得到全部马氏体的临界冷却速度比低碳钢时要小。显然16MnR钢的淬硬倾向要比低碳钢大。冷裂纹是焊接16MnR钢时的一个主要问题。从材料本身考虑,淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。因此,焊接时能否形成对氢致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的重要指标。16MnR钢在连续冷却时,珠光体转变右移较多,使快冷过程中,铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体,最后转变为含碳较高的贝氏体和马氏体,并得到全部马氏体的临界冷却速度较低碳钢时要小,显然16MnR钢的淬硬倾向比低碳
12、钢的大。焊条电弧焊16MnR钢时,过热区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。3) 再热裂纹16MnR钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。从钢的化学成分考虑,在C-Mn的热轧钢中由于不含碳化物形成元素,对再热裂纹不敏感,因此16MnR钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。2. 20MnMo焊接性分析封头材料为20MnMo钢,20MnMo常用为低合金压力容器用锻钢件材料,用于制造-40470摄氏度的压力容器构建、重要锻件等。其要求需符合锻件用结构钢牌号和力学性能(GB/T171071997)标准。20MnMo化学成分见表1-4。表1-4 20MnMo钢化学成分钢种C(%)Mn(%)Si(%
13、)Mo(%) S(%)P(%)20MnMo0.170.231.101.400.170.370.200.350.0150.02520MnMo力学性能见表1-5。表1-5 20MnMo钢力学性能钢种热处理状态截面尺寸(直径或厚度)mm试样方向力学性能抗拉强度b(MPa)屈服强度s (MPa)伸长率/%U形冲击功Aku/J20MnMo调质300纵向5003051439300500纵向4702751439300切向5003051431300500切向4702751331根据国际焊接学会(IIW)的碳当量公式:可计算得20MnMo钢的碳当量为0.47%,合金元素含量达2.18%,从计算结果可以看出,20
14、MnMo钢在焊接时淬硬倾向较大,且淬硬倾向随冷却速度增加而增大,焊接接头在拘束应力较大时会产生冷裂纹,故焊前必须预热。随着预热温度的提高,热影响区硬度下降,热影响区裂纹敏感性下降,但是过高的预热温度会产生附加热应力,反而增加冷裂纹产生的可能性,同时也增加了操作者的劳动强度。所以单纯提高预热温度对焊接是不利的。因此在焊接20MnMo钢时需要采取焊前预热,后热和焊后热处理等工艺措施。1.3 层板包扎换热器壳体制造工艺流程层板包扎换热器制造工艺流程见图1-2。图1-2 层板包扎换热器制作工艺流程图 1. 内筒制作工艺(1) 钢板复检内筒制作之前,需要先对钢板进行复检,复检内容包括化学成分、各种力学性
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